AT409136B

AT409136B - Einrichtung zum zerstäuben und zerkleinern von flüssigen schmelzen

Info

Publication number: AT409136B
Application number: AT0087800A
Authority: AT
Original assignee: Tribovent Verfahrensentwicklg
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2002-05-27
Also published as: DE50101895D1; EP1194387B1; AU5993201A; ATA8782000A; JP2003534224A; WO2001090018A1; US20020112565A1; EP1194387A1

Description


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   Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zerstäuben und Zerkleinern von flüssigen Schmelzen mit einem Schlackentundish, an dessen Auslauf eine Expansions- bzw. Kühlkammer angeschlossen ist, bei welcher in den Auslauf eine Treibgaslanze mündet, welche von einem rohrförmigen in die flüssige Schmelze eintauchenden Unterlaufwehr umgeben ist. 



   Einrichtungen der eingangs genannten Art können zum Zerstäuben und Granulieren von Schlacken eingesetzt werden, wobei eine möglichst geringe Tröpfchengrösse realisiert werden soll, um eine rasche Abkühlung und damit ein Verglasen der Schlacken zu bewirken und gleichzeitig erstarrtes Material in einer Feinheit zu erzielen, welche ein nachfolgendes Mahlen entbehrlich macht. Dies gilt insbesondere dann, wenn Schlackenschmelzen zerkleinert und verglast werden sollen, welche in der Folge aufgrund ihrer latenthydraulischen Eigenschaft als Zementersatz oder Zumischstoff zu Zementmischungen eingesetzt werden können.

   Das rohrförmige in die flüssige Schmelze eintauchende Unterlaufwehr kann hiebei höhenverstellbar angeordnet sein, um eine bestimmte Schichtdicke im Bereich des Auslaufes zu erzielen, wobei weiters die Treibgaslanze selbst höhenverstellbar gelagert sein kann, um eine jeweils optimale Positionierung für das Ausstossen der flüssigen Schmelzen als Mantel des Treibgasstrahles einstellen zu können. 



   Die Erfindung zielt nun darauf ab, ausgehend von einer derartigen Anordnung bzw. einer derartigen Einrichtung eine Konstruktion zu schaffen, bei der die gewünschte Teilchengrösse wesentlich herabgesetzt werden kann und gleichzeitig die Homogenität der Korngrössen verbessert werden kann Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die Strömungsverhältnisse im Auslaufbereich dahingehend zu verbessern, dass ein Flattern des Filmes, ein Spritzen oder ein instabiles Verhalten der Schmelze verhindert wird und, dass zusätzliche Scherspannungen in den Schlackentröpfchen induziert werden können, wodurch die Zerkleinerung weiter verbessert wird.

   Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemässe Einrichtung im wesentlichen darin, dass die Breite des Spaltes zwischen der Unterkante des Unterlaufwehrs und dem Tundishboden geringer als 20 %, vorzugsweise geringer als 15 %, der lichten Weite des Auslaufes ist, dass der Boden des Tundish im Bereich zwischen der Unterkante des Überlaufwehrs und dem Auslauf trichterförmig ausgebildet ist und dass die Treibgaslanze für den Einsatz von Dampf unter überkritischen Druckbedingungen zur Ausbildung eines unter expandierten Freistrahles im Inneren des Schmelzestrahles ausgebildet ist Dadurch wird die Voraussetzung geschaffen, über die Treibgaslanze Dampf unter überkritischen Druckbedingungen zur Ausbildung eines unterexpandierten Freistrahles im Inneren des Schmelzestrahles einzustossen,

   wodurch sich besonders kritische Strömungsverhältnisse ergeben und es zu einem Austritt des Treibgasstromes kommt, welcher im wesentlichen gleich der Schallgeschwindigkeit ist. Mit Rücksicht auf die Verwendung von Dampf unter überkritischen Druckbedingungen und den Umstand, dass auf diese Weise ein unterexpandierter Strahl ausgestossen wird, kommt es in der Folge zu Druckstössen im Bereich der Mach'schen Knoten, wobei zwischen derartigen Mach'schen Knoten Expansionsvolumina liegen.

   Durch Schwingunginterferenzen im
Zweiphasenstrahl werden Scherbeanspruchungen in die Schlackentröpfchen eingeleitet, wobei die
Frequenz bei zunehmend überkritischen Bedingungen entsprechend erhöht wird, wodurch sich der
Abstand der Mach'schen Knoten in Achsrichtung des Treibgasstrahles entsprechend verringert
Der Umstand, dass bei überkritischen Bedingungen ein unterexpandierter Strahl ausgestossen wird, fuhrt zu einer unmittelbaren Expansion nach dem Austritt aus der Düse, wobei die Geschwindigkeit in diesem Falle an der Düsenmündung genau der Schallgeschwindigkeit entspricht, sofern der Vor- druck in der Düse mindestens überkritisch höher liegt, als der Druck unmittelbar nach dem Austritt aus der Düse.

   Dadurch, dass nun die Breite des Spaltes zwischen der Unterkante des Unterlauf- wehrs und dem Tundishboden geringer als 20 % und vorzugsweise geringer als 15 % der lichten
Weite des Auslaufes gewählt ist, wird sichergestellt, dass ein hinreichender zentraler Freiraum im abfliessenden Strahl erzielt wird, welcher eine entsprechende Absenkung der Treibgaslanze bis nahe an oder in die Auslauföffnung ermöglicht.

   Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil mit Rücksicht auf die speziellen Strömungsbedingungen im Falle eines Dampfes unter überkriti- schen Druckbedingungen bzw. eines unterexpandierten Freistrahles die Schmelzendüse im Be- reich des Auslaufes des Tundish einer hohen mechanischen Beanspruchung unterliegt, sofern die
Mach'schen Schwingungsknoten nicht hinreichend in Abstand von der Auslaufmündung auftreten.
Es soll somit sichergestellt werden, dass im Bereich der Mündung selbst noch keine Mach'schen
Knoten auftreten, um einen übermässigen Verschleiss durch Erosions- bzw. Kavitationserscheinun- gen im Bereich des Schlacken- bzw Schmelzenauslaufes zu verhindern.

   Dadurch, dass nun der 

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 Boden des Tundish im Bereich zwischen der Unterkante des Unterlaufwehrs und dem Auslauf trichterförmig ausgebildet ist, wird sichergestellt, dass aufgrund der jeweiligen Viskosität der Schmelze eine Ausbildung von Ringwülsten verhindert wird, sodass ein Ablösen der Strömung kurz nach dem Eintritt in den Bodenauslauf verhindert wird und Flattern des Filmes sowie gegebenenfalls Spritzen und instabiles Verhalten der Schmelze vermieden werden kann. Im Optimalfall ist die Neigung des Trichters so bemessen, dass die durch den Abstand der Unterkante des Unterlaufwehrs vom Boden des Tundish definierte Schichtdicke bis zum Rand des Auslaufes weitestgehend erhalten bleibt, oder aber abnimmt. 



   Erfindungsgemäss wird bei Einhaltung überkritischer Druckbedingungen für den Dampf innerhalb der Treibgaslanze und beim Ausstoss eines unterexpandierten Freistrahles so gearbeitet, dass die Strömungsgeschwindigkeit an der Düsenmündung der Lanze exakt der Schallgeschwindigkeit entspricht. 



   Um die Ausbildung eines Wulstes, wie oben erwähnt, im Bereich des Schlackenauslaufes mit Sicherheit zu verhindern, ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, dass der Neigungswinkel a des trichterförmigen Tundishbodenbereiches kleiner als 30 , vorzugsweise etwa 20 , zur Querschnittsebene des Auslaufes gewählt ist
Prinzipiell ist es vorteilhaft den Tundish und die im Tundish vorrätige Schmelze bzw. Schlacke zu beheizen, wobei mit Vorteil eine induktive Beheizung vorgesehen ist. Mit besonderem Vorteil ist im Rahmen der Erfindung die Ausbildung so getroffen, dass der Tundish Heizelemente zur Beheizung mit Mittelfrequenzstrom aufweist und dass zumindest das Unterlaufwehr aus elektrisch leitendem Werkstoff, wie z. B. C, SiC oder Zr02 bzw.

   Zr02   # MgO,   ausgebildet ist, wobei gegenüber der Verwendung von Hochfrequenzheizungen, bei welchen aufgrund des Skineffektes lediglich der Aussenbereich des Schlackentundish entsprechend beheizbar wird, durch die Verwendung eines Mittelfrequenzstromes auch das Unterlaufwehr beheizt werden kann, wenn dieses aus elektrisch leitendem Werkstoff besteht. Mit Vorteil ist die Ausbildung so getroffen, dass der Auslaufbereich des Tundish aus SiC,   AI203   oder Zr02 bzw.   ZrO2#  MgO ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Tundish aus Graphit oder SiC ausgebildet ist.

   Auf diese Weise gelingt bei Verwendung eines Mittelfrequenzstromes die entsprechende Beheizung an kritischen Stellen sicherzustellen und die entsprechende Wärmeübertragung auf das Schmelzbad zur Feintemperatureinstellung sowie zum Aufschmelzen eventuell mitgerissener Feststoffpartikel einzusetzen. 



   Mit Vorteil ist erfindungsgemäss die Ausbildung so getroffen, dass Treibdampf mit Temperaturen zwischen 600  und 1250  C in einem Druckbereich zwischen 2 und 5 bar eingesetzt ist. 



   Aufgrund des Ausstosses eines unterexpandierten Freistrahles hat ein derartiger Freistrahl notwendigerweise eine gewisse Divergenz. Die Divergenz ist mit Rücksicht auf die überkritischen Ausstossbedingungen allerdings als äusserst gering anzunehmen und es handelt sich genaugenommen im wesentlichen um einen Freistrahl mit zylindrischer Umhüllenden mit relativ geringer
Divergenz Eine derartige Strahlgeometrie mit relativ geringer Divergenz hat hiebei den Vorteil, dass die Düsenmündung der Lanze in grösserem Abstand (S) von der Auslauföffnung gehalten werden kann, ohne dass hiebei der Verschleiss im Bereich des Auslaufes wesentlich zunimmt.

   Besonders günstige Bedingungen in bezug auf den Verschleiss eines gegebenenfalls als gesonderter Einsatzteil ausgebildeten Schlackenauslaufes lassen sich hiebei mit Vorteil dadurch erzielen, dass der
Schlackenauslauf des Tundish im Anschluss an den trichterförmigen Einlauf über eine axiale Länge hohlkonisch oder zylindrisch ausgebildet ist, welche dem 0,6 bis 1,1fachen des lichten Durchmessers der Auslauföffnung entspricht, wobei sich mit Vorteil die Auslauföffnung im Anschluss an den hohlkonischen bzw. zylindrischen Bereich konisch erweitert. 



   Um die rheologischen Eigenschaften von Schlacken, insbesondere beispielsweise von typi- schen Hochofenschlacken, zu optimieren, hat sich die Zugabe von Flussmitteln, wie z.B. Flussspat (CaF2), als äusserst vorteilhaft herausgestellt. Die dynamische Viskosität einer Hochofenschlacke mit einem CaO zu   Si02-Verhältnis   von etwa 1 und einem Al2O3-Gehalt von etwa 9 Gew.% bei
1480  C lässt sich auf diese Weise durch Zugabe von beispielsweise 1,2 Gew.% CaF2 halbieren, wodurch sowohl das Feuerfestmaterial geschont wird als auch eine höhere Tröpfchenzerkleinerung erzielt werden kann.

   Gleichzeitig wird eine Erhöhung der Frühfestigkeit von unter Verwendung derartiger zerkleinerter Produkte hergestellten Mischzementen beobachtet
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Aus- führungsbeispieles der erfindungsgemässen Einrichtung näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 

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 einen Schnitt durch den Tundish im Bereich des Schlackenauslaufes und Fig. 2 eine vergrösserte Detaildarstellung eines modifizierten Schlackenauslaufes. 



   In Fig. 1 ist mit 1 eine Treibdampf-Gaslanze mit einer Austrittsdüse bezeichnet, welche in Richtung des Doppelpfeiles 2 höhenverstellbar gelagert ist. Die Treibdampf-Gaslanze wird konzentrisch von einem rohrförmigen Wehr 3 umgeben, welches aus elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist. Auch dieses rohrförmige Wehr 3 ist in Richtung des Doppelpfeiles 4 höhenverstellbar, um eine entsprechende Distanz der Unterkante des rohrförmigen Unterlaufwehrs zum Boden 5 eines Tundish 6 zu gewährleisten. Der Tundish 6 ist mit einem Deckel 7 verschliessbar und weist einen Auslauf 8 auf, dessen der Schmelze 9 zugewandte Flächen trichterförmig ausgebildet sind. Der Neigungswinkel a beträgt hierbei im wesentlichen 20 , um sicherzustellen, dass bei gegebener Schlackenviskosität eine laminare Strömung der Schlacke im Auslaufbereich gewährleistet ist.

   Der Schlackenauslauf 8 ist als gesonderter Einsatzteil ausgebildet und an seiner dem Schlackenraum abgewandten Aussenseite 10 sich trichterförmig erweiternd ausgebildet, wobei der Konizitätswinkel &num; dieser trichterförmigen Erweiterung grösser oder gleich dem in der Zeichnung übertrieben dargestellten Divergenzwinkel y des Freistrahles 11 gewählt ist. Das Treibgas bzw. Treibdampfgasgemisch tritt aus der Lanze 1 in einer Weise aus, dass ein unterexpandierter Strahl vorliegt, wodurch es zur Ausbildung von Mach'schen Schwingungsknoten 12 zwischen Expansionsvolumina 13 kommt. Der Freistrahl kollidiert nach dem Austritt aus der Lanze 1 mit dem flüssigen Schlackenmantel, wobei es zu induzierten Scherspannungen und damit zu einer weiteren Tröpfchenzerkleinerung kommt. 



   Der Schlackentundish ist mit Mittelfrequenzstrom beheizt, wobei die Stromquelle mit 14 und die entsprechende Spule mit 15 bezeichnet ist Die Spule selbst kann mit Kühlwasser, welches über eine Leitung 16 zugeführt wird, beheizt werden, sodass über den Anschluss 17 erwärmtes Kühlwasser abgezogen werden kann. Da die induktive Beheizung mit Mittelfrequenzstrom vorgenommen wird, werden Skineffekte vermieden und es gelingt, das rohrförmige Unterlaufwehr 3 gleichfalls zu beheizen, wenn dieses aus elektrisch leitendem Werkstoff, wie beispielsweise Kohlenstoff, Siliziumkarbid oder Zirkon, besteht. Im Fall von Zirkon ist zu berücksichtigen, dass dieser Werkstoff gleichfalls bei Temperaturen von über 800  C die geforderte elektrische Leitfähigkeit aufweist. 



   Bei Einsatz eines Treibdampfes mit einem Druck in der Lanze von etwa 2,5 bar und einer Temperatur von etwa 800  C und damit überkritischen Bedingungen ergibt sich unmittelbar nach dem Austritt aus der Lanze bei einer Strömungsgeschwindigkeit, welche der Schallgeschwindigkeit entspricht, eine rasche Expansion und damit auch eine rasche Abkühlung auf Temperaturen im Bereich von 650  C. Wenn Treibdampf mit einer Temperatur von 600  C und einem Druck von etwa 2,5 bar eingesetzt wird, sinkt die Temperatur auf etwa 475  C, wobei auch hier der Ausstoss mit Schallgeschwindigkeit und auf diese Weise die entsprechenden Scherkräfte für eine effiziente Zerkleinerung der Schlackentröpfchen erzielt werden. 



   In Fig 2 ist der Schlackenauslauf 8 vergrössert dargestellt. Wie bereits erwähnt, entspricht der in Fig 1 dargestellte Divergenzwinkel y nicht den tatsächlichen Verhältnissen bei einem überkritischen bzw. unterexpandierten Strahl, dessen Umhüllende nahezu zylindrische Form aufweist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist nun im Anschluss an die trichterförmige Ausbildung unter Einschluss eines Neigungswinkels a ein im wesentlichen hohlzylindrischer Bereich vorgesehen, dessen axiale Länge L im wesentlichen dem Durchmesser D der lichten Weite der Auslassöffnung entspricht, Im Anschluss an diesen im wesentlichen hohlzylindrischen Bereich erweitert sich die Schlackenausla- &num;öffnung wiederum trichterförmig, wie das durch die konischen Wände 10 angedeutet ist. 

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Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zum Zerstäuben und Zerkleinern von flüssigen Schmelzen mit einem Schla- ckentundish, an dessen Auslauf eine Expansions- bzw. Kühlkammer angeschlossen ist, bei welcher in den Auslauf eine Treibgaslanze mündet, welche von einem rohrförmigen in die flüssige Schmelze eintauchenden Unterlaufwehr umgeben ist, dadurch gekennzeich- net, dass die Breite des Spaltes zwischen der Unterkante des Unterlaufwehrs (3) und dem Tundishboden (5) geringer als 20 %, vorzugsweise geringer als 15 %, der lichten Weite (D) des Auslaufes (8) ist, dass der Boden (5) des Tundish (6) im Bereich zwischen der Unter- <Desc/Clms Page number 4> kante des Überlaufwehrs (3) und dem Auslauf (8) trichterförmig ausgebildet ist und dass die Treibgaslanze (1)

für den Einsatz von Dampf unter überkritischen Druckbedingungen zur Ausbildung eines unter expandierten Freistrahles (11) im Inneren des Schmelzestrahles ausgebildet ist, wobei die Strömungsgeschwindigkeit an der Düsenmündung der Lanze (1) auf die Schallgeschwindigkeit eingestellt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel a des trichterförmigen Tundishbodenbereiches (5) kleiner als 30 , vorzugsweise etwa 20 , zur Querschnittsebene des Auslaufes (8) gewählt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tundish (6) Heiz- elemente (15) zur Beheizung mit Mittel frequenzstrom aufweist und dass zumindest das Unterlaufwehr (3) aus elektrisch leitendem Werkstoff, wie z.B. C, SiC, ZrO2 oder Zr02 MgO, ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslaufbereich (8) des Tundish (6) aus SiC, A1203, Zr02 und/oder Zr02 MgO ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tundish (6) aus Graphit oder SiC ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Treib- gaslanze (1) für Treibdampf mit Temperaturen zwischen 600 und 1250 C in einem Druckbereich zwischen 2 und 5 bar ausgelegt ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schla- ckenauslauf (8) des Tundish (6) im Anschluss an den trichterförmigen Einlauf über eine axiale Länge hohlkonisch oder zylindrisch ausgebildet ist, welche dem 0,6 bis 1,1 fachen des lichten Durchmessers (D) der Auslauföffnung (8) entspricht.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslauföffnung (8) im Anschluss an den hohlkonischen bzw. zylindrischen Bereich konisch erweitert.

HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN